“大數(shù)據(jù)+工業(yè)云”工業(yè)4.0時代的人機共融

孟凡勇

摘 要 論述了工業(yè)1.0到工業(yè)4.0的發(fā)展過程，工業(yè)4.0的特點，工業(yè)4.0的技術支柱，工業(yè)4.0的軟硬件解決方案，國際國內(nèi)工業(yè)云的建立及其特點。工業(yè)4.0將引發(fā)第四次工業(yè)革命。

【關鍵詞】大數(shù)據(jù) 云計算 工業(yè)4.0 工業(yè)云 物聯(lián)網(wǎng) IOT 萬物互聯(lián) 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 人工智能 智能制造

1 概述

1.1 工業(yè)1.0

機械化，以蒸汽機為標志，用蒸汽動力驅動機器取代人力，從此手工業(yè)從農(nóng)業(yè)分離出來，正式進化為工業(yè)。

1.2 工業(yè)2.0

電氣化，以電力的廣泛應用為標志，用電力驅動機器取代蒸汽動力，從此零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配實現(xiàn)分工，工業(yè)進入大規(guī)模生產(chǎn)時代。

1.3 工業(yè)3.0

自動化，以PLC（可編程邏輯控制器）和PC的應用為標志，從此機器不但接管了人的大部分體力勞動，同時也接管了一部分腦力勞動，工業(yè)生產(chǎn)能力也自此超越了人類的消費能力，人類進入了產(chǎn)能過剩時代。如圖1所示。

1.4 工業(yè)4.0將是整個中國時代性的革命

什么是工業(yè)4.0？

“互聯(lián)網(wǎng)+制造”就是工業(yè)4.0。“工業(yè)4.0”是德國推出的概念，美國叫“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國叫“中國制造2025”，這三者本質內(nèi)容是一致的，都指向一個核心，就是智能制造。

2015年中國有幾個概念非常火，第一是大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新，第二就是工業(yè)4.0，第三個就是“互聯(lián)網(wǎng)+”。“互聯(lián)網(wǎng)+”是巨大無比的概念，“互聯(lián)網(wǎng)+”里面有“互聯(lián)網(wǎng)+金融”叫做互聯(lián)網(wǎng)金融、“互聯(lián)網(wǎng)+零售”、“互聯(lián)網(wǎng)電子商務”，而“互聯(lián)網(wǎng)+制造”就是工業(yè)4.0。它將推動中國制造向中國創(chuàng)造轉型，所以說，工業(yè)4.0是整個中國時代性的革命。如圖2所示。

2 工業(yè)4.0有哪些特點

互聯(lián)：互聯(lián)工業(yè)4.0的核心是連接，要把設備、生產(chǎn)線、工廠、供應商、產(chǎn)品和客戶緊密地聯(lián)系在一起。

數(shù)據(jù)：工業(yè)4.0連接和產(chǎn)品數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、研發(fā)數(shù)據(jù)、工業(yè)鏈數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、消費者數(shù)據(jù)。

集成：工業(yè)4.0將無處不在的傳感器、嵌入式中端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設施通過CPS形成一個智能網(wǎng)絡。通過這個智能網(wǎng)絡，使人與人、人與機器、機器與機器、以及服務與服務之間，能夠形成一個互聯(lián)，從而實現(xiàn)橫向、縱向和端到端的高度集成。

創(chuàng)新：工業(yè)4.0的實施過程是制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的過程，制造技術、產(chǎn)品、模式、業(yè)態(tài)、組織等方面的創(chuàng)新，將會層出不窮，從技術創(chuàng)新到產(chǎn)品創(chuàng)新，到模式創(chuàng)新，再到液態(tài)創(chuàng)新，最后到組織創(chuàng)新。

轉型：對于中國的傳統(tǒng)制造業(yè)而言，轉型實際上是從傳統(tǒng)的工廠，從2.0、3.0的工廠轉型到4.0的工廠，整個生產(chǎn)形態(tài)上，從大規(guī)模生產(chǎn)，轉向個性化定制。實際上整個生產(chǎn)的過程更加柔性化、個性化、定制化。這是工業(yè)4.0一個非常重要的特征。如圖3所示。

3 工業(yè)4.0有哪些技術支柱

工業(yè)4.0九大技術支柱包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)機器人、3D打印、知識工作自動化、工業(yè)網(wǎng)絡安全、虛擬現(xiàn)實和人工智能。這九大支柱中會產(chǎn)生無數(shù)的商機和上市公司。如圖4所示。

4 哪類公司最有前景

結合中國工業(yè)現(xiàn)狀來看，未來十年，中國工業(yè)4.0領域將有充足發(fā)展的三類公司有：

第一類是智能工廠，分為兩種，第一種是傳統(tǒng)的工廠轉型成智能工廠，第二種是一出生就是智能工廠；

第二類是解決方案公司，為制造業(yè)公司提供智能工廠頂層設計、轉型路徑圖、軟硬件一體化實施的工業(yè)4.0解決方案公司。

第三類是技術供應商，包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)網(wǎng)絡安全、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算平臺、MES系統(tǒng)、

除這三類以外，虛擬現(xiàn)實、人工智能、知識工作自動化等技術供應商也會面臨巨大的發(fā)展前景。如圖5所示。

5 【解決方案】包括軟件硬件

軟件有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)網(wǎng)絡安全、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算平臺、MES系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實、人工智能、知識工作自動化等；硬件是工業(yè)機器人（包括高端零部件）、傳感器、RFID、3D打印、機器視覺、智能物流（AGV）、 PLC、數(shù)據(jù)采集器、工業(yè)交換機等。如圖6所示。

這是一次巨大的產(chǎn)業(yè)革命，錯過了工業(yè)4.0也就錯過了這個時代！誰最終贏得第四次工業(yè)革命主導權？第四次工業(yè)革命以2013年德國漢諾威為標志，宣布這一輪工作革命以智能制造為核心。如圖7所示。

德國政府所定義的德國工業(yè)4.0，由一個信息，一個網(wǎng)絡，四大主題、三項集成、八項計劃組成的框架機構。德國政府提出工業(yè)4.0整體框架有很多地方和中國的實際國情不同，操作上面還有一定的距離。如圖8所示。

第四次工業(yè)革命延續(xù)時間大概為30到40年，所以說工業(yè)4.0、移動互聯(lián)網(wǎng)對中國工業(yè)的顛覆、再造和融合，才剛剛開始。第四次工業(yè)革命的本質是主導這個世界未來的工業(yè)標準之爭，是由德國和美國按照自己的邏輯路徑、表述方法來進行推進。

美國提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準，希望關注設備互聯(lián)、數(shù)據(jù)分析、以及數(shù)據(jù)基礎上對業(yè)務的洞察，他們對傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通，其關注點在大數(shù)據(jù)和云計算。

德國提出工業(yè)4.0，擁有強大的機械制造技術，嵌入式以及控制設備的先進設備和能力，德國很關注生產(chǎn)過程智能化和虛擬化的深刻改變。

可以看到，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和德國工業(yè)4.0，實施路徑和邏輯相反，但是目標一致。美國是以GE公司、IBM這些公司為支持，側重于從軟件出發(fā)打通硬件；德國是以西門子、庫卡、SAP這些公司為主導，希望可以從硬件打通到軟件。無論從軟到硬，還是從硬到軟，兩者的目標是一致的，就是實現(xiàn)智能制造，實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)的融合。

中國為什么選擇德國標準？

（1）中國政府認為，德國路徑比美國路徑更容易實現(xiàn)；

（2）美國的工業(yè)空心化嚴重。IT公司出現(xiàn)工業(yè)4.0挑戰(zhàn)大，缺少基礎設施的落地，德國工業(yè)技術雄厚，是生產(chǎn)制造基地，生產(chǎn)設備供應商加IT業(yè)務解決方案提供商。在第四次工業(yè)革命的戰(zhàn)略選擇上，中國政府的策略是，緊盯新一輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流，選擇工業(yè)4.0，推出中國版的中國制造2025，尋找機會彎道超車，后發(fā)先制。

工業(yè)4.0是一個全新的時代，一期剛剛開始，預計要30到50年的時間發(fā)展引進，按照國家工信部部長所說：德國是從工業(yè)3.0串聯(lián)到工業(yè)4.0，中國是2.0、3.0一起并聯(lián)到4.0。

工信部和中國工程院把中國版的工業(yè)4.0的核心目標定義為智能制造，這個詞表述非常準確。由智能制造再延伸到具體的工廠而言，就是智能工廠。智能制造、智能工廠是工業(yè)4.0的兩大目標。

在未來的工業(yè)4.0時代，軟件重要還是硬件重要，這個答案非常簡單：軟件決定一切，軟件定義機器。所有的工廠都是軟件企業(yè)，都是數(shù)據(jù)企業(yè)，所有工業(yè)軟件在工業(yè)4.0時代，是至關重要的，所以說軟件定義一切。

工業(yè)時代4.0這條路剛剛開始，但給了我們大概的方向，未來企業(yè)會變成數(shù)據(jù)的企業(yè)、創(chuàng)新的企業(yè)、集成的企業(yè)、不斷快速變化的企業(yè)。對于整個制造業(yè)來說，這是一個巨大的顛覆，稱之為工業(yè)革命，是毫不為過的。

6 國際國內(nèi)工業(yè)云的建立

GE公司建立的Predix云，一個專為收集與分析工業(yè)數(shù)據(jù)而開發(fā)設計的云解決方案。Predix云也是“平臺即服務”（PaaS），將在高度安全的工業(yè)級云環(huán)境中捕捉和分析海量高速運行、類型多樣的各種機器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。Predix云將推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的下一階段增長，可以幫助開發(fā)者為行業(yè)快速開發(fā)、部署和管理應用與服務。

全球化的數(shù)字制造的熱潮洶涌，工業(yè)大數(shù)據(jù)以前所未有的速度和巨量被釋放出來，如何將這些數(shù)據(jù)與人、機器相連接，成為一個嶄新的命題。而制造業(yè)巨擘GE在回歸工業(yè)根基的轉型之路上，推出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這一廣為傳播的概念，而Predix正是GE承載新工業(yè)帝國夢想的核心平臺。Predix是GE面向行業(yè)推出的一個工業(yè)云平臺。不同的組織，能在上面控制數(shù)據(jù)的連接，并使用第三方開發(fā)者的分析軟件。 一方面Predix為大量開發(fā)者提供便利，開發(fā)各種工業(yè)級APP。開發(fā)者只需關注如何解決問題，而無須關心如何獲取以及連接數(shù)據(jù)；另一方面用戶作為數(shù)據(jù)托管方，則可以使用這些APP，進行設備管理、運營維護等。

Predix的起源傳統(tǒng)意義上OT技術是用于對機器設備的監(jiān)視和控制，但GE眼中的OT技術已經(jīng)超越這些概念，將機器設備與云服務連接，通過數(shù)據(jù)的分析可以幫助進行設備故障預測和整體健康程度的評估。通過融合IT和OT技術，GE正在重新定義工業(yè)自動化。

GE通過內(nèi)置的傳感器對機器設備的數(shù)據(jù)采集已有多年，但這些物聯(lián)網(wǎng)前的傳感器主要用于對設備運行實時性能的監(jiān)測，比如顯示某一特定測點的壓力值，設備專家通過監(jiān)視各測點的數(shù)值從而推斷設備的性能，然后這些實時數(shù)據(jù)就被丟棄，不再進行收集存儲。

機器設備產(chǎn)生的海量時間序列數(shù)據(jù)與社交數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)差別很大，針對工業(yè)數(shù)據(jù)的存儲、分析必須針對性地進行優(yōu)化，以幫助理解機器設備的行為表現(xiàn)。為了處理這些海量的數(shù)據(jù)集，GE需要一個新的平臺來安全連接設備并分析數(shù)據(jù)，就這樣在2013年，一個基于云計算的軟件平臺Predix被開發(fā)出來。不僅僅通過運營數(shù)據(jù)分析降低設備的服務成本，也通過這些運營數(shù)據(jù)有效指導產(chǎn)品研發(fā)的改進。

如圖9所示，工業(yè)數(shù)據(jù)湖受到Amazon提供S3、EC2等云服務的啟發(fā)， GE的管理層逐漸意識到他們也可以將Predix以云服務的形式推向市場，從而開啟設備運營的聯(lián)接、分析服務市場。

Predix正式誕生。

Predix的構成Predix是GE推出的全球第一個專為工業(yè)數(shù)據(jù)與分析開發(fā)的云服務平臺，負責將各種工業(yè)資產(chǎn)設備和供應商相互連接并接入云端，并提供資產(chǎn)性能管理（APM）和運營優(yōu)化服務。Predix承擔的角色類似個人電腦中的Windows和智能手機中的IOS、Android操作系統(tǒng)。對于紛繁復雜的工業(yè)設備和工業(yè)數(shù)據(jù)類型來講，Predix與其說是通過操作系統(tǒng)來運營工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，不如說是為海量的工業(yè)數(shù)據(jù)找到了一種相對標準和統(tǒng)一的承載和呈現(xiàn)形式。

如圖10所示，Predix的架構傳承于GE工業(yè)化基因，Predix提供標準的方式來運行工業(yè)級的分析能力，連接機器、數(shù)據(jù)和人，提供分布式計算、大數(shù)據(jù)分析、資產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、機器和機器通信和應用移動性，“端到端”的安全訪問機制確保數(shù)據(jù)、設備、網(wǎng)絡和系統(tǒng)的授權訪問。

GE為何要推行Predix其實是一個面向云應用的軟件平臺，負責將各種工業(yè)資產(chǎn)設備和供應商相互連接并接入云端，并提供資產(chǎn)性能管理（APM）和運營優(yōu)化服務。所以，Predix的功能是統(tǒng)籌各種APM系統(tǒng)、承載行業(yè)用戶的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用，從這個意義上，GE把它稱為“操作系統(tǒng)”。

APM系統(tǒng)一般包括企業(yè)資產(chǎn)管理（EAM）、預防性維護（PM）、預見性維護（PdM）、工廠資產(chǎn)管理（PAM）、環(huán)境健康和安全（EH&S）等方面。GE的APM系統(tǒng)，是GE為了提升自身的資產(chǎn)管理績效而特別研發(fā)，并已在內(nèi)部應用多年的，一整套綜合了云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術的解決方案。

實際上沒有APM系統(tǒng)的Predix是沒有靈魂的。所以即使GE開放了Predix，用戶也需要使用GE的APM來實現(xiàn)遠程監(jiān)控、診斷、智能運行設備。所不同的是用戶基于Predix二次開發(fā)出來的是以GE APM系統(tǒng)為核心的、適合自己的資產(chǎn)績效管理方案，因為不同行業(yè)的資產(chǎn)績效管理方案，必須要寫入該行業(yè)的特性和參數(shù)。

GE的終極目標每一家工業(yè)企業(yè)都要成為一家數(shù)字公司，這是GE對未來的看法。而GE同時希望，Predix能成為這些數(shù)字公司的駐足之地。

因此，GE加大推廣APP開發(fā)的力度。2016年GE計劃開設4個創(chuàng)新坊，加大企業(yè)對于開發(fā)類似工業(yè)APP的扶持，從而孵化出完整的生態(tài)群。

市場的同類掘金者為了在數(shù)字化領域挖掘新的商業(yè)機會，西門子正在以“西門子數(shù)字服務”為平臺，努力發(fā)展相關服務。西門子2015年底宣布將增加研發(fā)投入3億歐元搭建跨業(yè)務新數(shù)字化服務平臺Sinalytics。這一平臺與Predix非常類似，整合了遠程維護、數(shù)據(jù)分析及網(wǎng)絡安全等技術。繼成功完成內(nèi)部測試之后，2016年西門子正式面向市場推出“MindSphere工業(yè)云平臺”。MindSphere被設計為一個開放的生態(tài)系統(tǒng)，工業(yè)企業(yè)可將數(shù)據(jù)服務作為預防性維護、能源數(shù)據(jù)管理以及工廠資源優(yōu)化的基礎。

除此之外，前段時間與美的達成股權收購的機器人制造商KUKA和Infosys宣布聯(lián)手開發(fā)支持企業(yè)迎接工業(yè)4.0的解決方案，合作目標是開發(fā)一個可讓客戶采集、評估和利用數(shù)據(jù)以提高自身生產(chǎn)過程的軟件平臺，KUKA將通過建立工業(yè)4.0云平臺擴展設備與云系統(tǒng)之間的連接。

PTC2014年宣布收購物聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建者ThingWorx，并致力于建立和運營物聯(lián)網(wǎng)應用。經(jīng)過一系列的收購和運作，2016年6月，PTC宣布新版物聯(lián)網(wǎng)平臺ThingWorx 7上市，包括進階的聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品管理工具組、強大的新分析功能、公有云支持、簡化的平臺元件等。

當然，對IBM、SAP、微軟這些虎視眈眈的市場巨鱷，同樣不能忽視他們對工業(yè)云的狂熱。

總結中國企業(yè)具有廣泛的工業(yè)云應用需求，如風電、飛機發(fā)動機、汽車、工程機械、家電等保有量居世界前列。因此，呼喚中國自己的工業(yè)云生態(tài)圈，是一種合情合理的想法，正如GPS之于中國的北斗導航系統(tǒng)。

然而，這樣的云平臺的搭建，在中國，已經(jīng)幾乎可以斷定無法由一個公司之力來建設的。這么龐大的一個生態(tài)圈，絕非當下中國制造業(yè)任何一個企業(yè)的工業(yè)技術體系可以承擔，一個合適的制造業(yè)共同體，迫在眉睫。

然而以GE為代表的企業(yè)已經(jīng)開始布局工業(yè)云，在海爾、在華為這些優(yōu)秀的制造業(yè)都已經(jīng)結為聯(lián)盟。徐工集團與阿里云公司共同打造的“工業(yè)云”平臺瞄準工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的全球標桿—美國GE公司打造的Predix工業(yè)云平臺，應用顛覆式思維、借助新一代信息技術，將徐工數(shù)字化工業(yè)能力輸出打造成開放、共享的全球云平臺，力爭成為中國工業(yè)領域的“Predix”。

7 結論

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正在推動第四輪工業(yè)革命，它將大大改變制造、能源、交通運輸、城市、醫(yī)療以及其他工業(yè)行業(yè)，并幫助企業(yè)從傳感器聚集數(shù)據(jù)，從而最大限度地提高機器效率以及整個工作的吞吐量。具體應用包括運動控制、機器與機器通信、預防性維護、大數(shù)據(jù)分析以及互聯(lián)醫(yī)療系統(tǒng)等。

工業(yè)云平臺由于能夠靈活實現(xiàn)跨區(qū)域工業(yè)信息服務的部署和交付，已經(jīng)成為國際巨頭們投入的重點。如果說傳統(tǒng)信息技術領域是美國企業(yè)占據(jù)優(yōu)勢地位，那么工業(yè)領域的信息服務發(fā)展正迎來群雄逐鹿的時代。誰能率先確立在全球的工業(yè)云服務覆蓋，便能在智能制造時代掌握產(chǎn)業(yè)生態(tài)的制高點，并取得掌控工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的先機。

參考文獻

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作者單位

上海立源水處理技術有限責任公司 上海市 201100